Ветрогенератор из асинхронного двигателя. Самодельный генератор из асинхронного электродвигателя Ветрогенератор из асинхронного двигателя на неодимовых магнитах

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от , обеспечивают:

• более высокую степень надёжности;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичность;
• минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

• регулируемые зарядные устройства;
• современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Классификация

Генераторы короткозамкнутого типа получили наибольшее распространение, ввиду простоты их конструкции. Однако существуют и другие типы асинхронных машин: альтернаторы с фазным ротором и устройства, с применением постоянных магнитов, образующих цепь возбуждения.

На рисунке 5 для сравнения показаны два типа генераторов: слева на базе , а справа – асинхронная машина на базе АД с фазным ротором. Даже при беглом взгляде на схематические изображения видно усложнённую конструкцию фазного ротора. Привлекает внимание наличие контактных колец (4) и механизма щёткодержателей (5). Цифрой 3 обозначены пазы для проволочной обмотки, на которую необходимо подать ток для её возбуждения.

Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора повышает качество генерируемого электрического тока, однако при этом теряются такие достоинства как простота и надёжность. Поэтому такие устройства используются в качестве источника автономного питания только в тех сферах, где без них трудно обойтись. Постоянные магниты в роторах применяют в основном для производства маломощных генераторов.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают , их используют для мощных мобильных и .

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

• транспортная промышленность;
• сельское хозяйство;
• бытовая сфера;
• медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

Асинхронный генератор своими руками

Оговоримся сразу: речь пойдёт не об изготовлении генератора с нуля, а о переделывании асинхронного двигателя в альтернатор. Некоторые умельцы используют готовый статор от мотора и экспериментируют с ротором. Идея состоит в том, чтобы с помощью неодимовых магнитов сделать полюса ротора. Примерно так может выглядеть заготовка с наклеенными магнитиками (см. рис. 6):

Вы наклеиваете магниты на специально выточенную заготовку, посаженную на валу электродвигателя, соблюдая их полярность и угол сдвига. Для этого потребуется не менее 128 магнитиков.

Готовую конструкцию необходимо подогнать к статору и при этом обеспечить минимальный зазор между зубцами и магнитными полюсами изготовленного ротора. Поскольку магнитики плоские, придётся их шлифовать или обтачивать, при этом постоянно охлаждая конструкцию, так как неодим теряет свои магнитные свойства при высокой температуре. Если вы сделаете всё правильно – генератор заработает.

Проблема состоит в том, что в кустарных условиях очень сложно изготовить идеальный ротор. Но если у вас есть токарный станок и вы готовы потратить несколько недель на подгонку и доработки – можете поэкспериментировать.

Я предлагаю более практичный вариант – превращение асинхронного двигателя в генератор (смотрите видео ниже). Для этого вам понадобится электромотор с подходящей мощностью и приемлемой частотой вращения ротора. Мощность двигателя должна быть минимум на 50% выше от требуемой мощности альтернатора. Если такой электромотор есть в вашем распоряжении – приступайте к переработке. В противном случае лучше купить готовый генератор.

Для переработки вам потребуется 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можно брать другие марки, но не электролитические). Конденсаторы подбирайте на напряжение не менее 600 В (для трёхфазного двигателя). Реактивная мощность генератора Q связанная с емкостью конденсатора следующей зависимостью: Q = 0,314·U 2 ·C·10 -6 .

При увеличении нагрузки возрастает реактивная мощность, а значит, для поддержания стабильного напряжения U необходимо увеличивать ёмкость конденсаторов, добавляя новые ёмкости путём коммутации.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1

Часть 2

На практике, обычно выбирают среднее значение, предполагая, что нагрузка не будет максимальной.

Подобрав параметры конденсаторов, подключите их к выводам обмоток статора так, как показано на схеме (рис. 7). Генератор готов.

Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.

Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.

При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.

С момента появления разнообразных технических устройств, выпускаемых серийно, люди, имеющие желание познать что-то новое и создать это новое своими руками, изготавливают подобные устройства и механизмы самостоятельно.

Самодельный ветровой генератор не является исключением. Для его изготовления используют как подручные средства и материалы, так и применяют компоненты заводского производства, ранее использованные в других устройствах.

Принцип работы

Работа ветрового генератора основана на преобразовании энергии ветра в электрическую энергию. Преобразование осуществляется путем передачи кинетической поступательной энергии ветровых потоков (№1 на схеме), во вращательное движение (№2 на схеме) лопастей ветровой установки («В» на схеме). В свою очередь вращательное движение лопастей, посредством механической передачи (устройство вторичного вала и редуктора), передается на вал электрического генератора («G» на схеме), вырабатывающего электрический ток (№3 на схеме).

Как сделать своими руками, что потребуется

При изготовлении ветрового генератора своими руками могут быть использованы различные материалы и подручные средства, имеющиеся в наличии. Самым главным условием для успешного решения поставленной задачи является желание изготовить подобный механизм самостоятельно и умение работать разнообразным инструментом, а также наличие свободного времени.

Вот некоторые из вариантов изготовления подобных устройств из подручных средств:

Из автомобильного генератора

Автомобильный генератор, по своему устройству, предполагает производство электрической энергии, которая вырабатывается при вращении его вала. В связи с этим, вариант использования подобного устройства, является наиболее простым решением, при самостоятельном сооружении ветровой установки.

Наиболее сложной частью, подобного устройства, являются лопасти и узел их крепления. Для изготовления данного узла можно использовать листовой, не поддающийся коррозии, металл, (алюминий, нержавеющая или оцинкованная сталь), который должен иметь способность крепиться к валу генератора и позволять закрепить необходимое количество лопастей на нем.

Лопасти можно изготовить из пластиковых труб диаметром 100,0 — 120,0 мм, для чего их следует нарезать требуемой длины и разрезать пополам, после чего места пиления обработать абразивными материалами и закрепить на ранее подготовленном узле их крепления. Собранный узел монтируется на вал генератора.

Из металлических труб, диаметром 20,0 – 25,0 мм изготавливается несущая конструкция, ее размер и форма, зависят от типа автомобильного генератора. Данный узел установки несет на себе максимальную нагрузку, в связи с тем, что именно эта часть создаваемого ветрового генератора подвергается воздействию потоков ветра и на рнего воздействует собственный вес монтируемых деталей.

На изготовленную несущую конструкцию монтируется генератор с лопастями, а также хвостовик установки, который может быть изготовлен из любого прочного материала: пластик, фанера, листовой металл.

Когда конструкция готова, к выводам генератора подсоединяются провода и вся установка монтируется на заранее подготовленном основании. Высота основания и место его установки, должны быть выбраны индивидуально, в зависимости от конкретных условий и региона расположения, что определяется наличием и скоростью воздушных потоков.

Один из вариантов ветряка, изготовленного с использованием автомобильного генератора, приведен на ниже приведенном фото:

Из асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель, это электрический аппарат, служащий для преобразования электрической энергии в механическую, в виде вращательного движения вала данного устройства.

В своей конструкции, асинхронный двигатель имеет статор, в который помещены электрические обмотки и ротор, вращающийся внутри статора, и если в нормальном режиме работы, ротор вращается под воздействием электрического поля, создаваемого в статоре, при подаче на обмотки напряжения, то при использовании подобных электрических машин, при изготовлении ветрового генератора, происходит обратный процесс – при вращении ротора, в электрических обмотках статора образуется электрический ток. Единственное условие, при данном варианте конструкции, это необходимость не значительное переделки используемого асинхронного двигателя.

Объем переделки зависит от типа используемого двигателя, так если это оборотистая машина, с числом оборотов более 1000, то необходима перемотка обмоток статора, при использовании тихоходных устройств — перемотка не требуется. Кроме этого, для обеспечения надежной работы создаваемого ветрового генератора, необходимо выполнить установку магнитов, для этого ротор машины протачивается, на размер устанавливаемых магнитов, магниты приклеиваются к ротору, после чего данный узел заливается эпоксидной смолой.

Магниты размещаются по шаблону, для создания равномерно направленной ЭДС, образующейся в устройстве. Полюса магнитов («+» и «-») должны чередоваться, что обеспечит правильную работу аппарата.

Вариант расположения магнитов, на роторе асинхронного двигателя, приведен на фото, расположенном ниже:

Когда работы по переделке ротора завершены, двигатель собирается, и изготавливаются лопасти ветровой установки и конструкция их крепления.

Лопасти могут быть изготовлены, как и в случае использования автомобильного генератора (пластиковые трубы), или из иного, имеющегося в наличии материала: листовой металл, пластик, дерево и т.д.

Несущая конструкция должна быть прочной, т.к. асинхронный двигатель обладает значительным весом. Один из вариантов монтажа приведен на ниже расположенном фото:

Для подключения собранной и смонтированной установки используются схема соединения обмоток «треугольник», приведенная ниже:

М – асинхронный двигатель;

С – конденсаторы, обеспечивающие нормальный режим работы установки;

SA1 – коммутационный аппарат, служащий для вывода двигателя из работы;

ХР1 – клеммная колодка, служащая для соединения двигателя с нагрузочной сетью.

На неодимовых магнитах

Неодимовый магнит – это мощное устройство, в состав которого входит редкоземельный металл – неодим, железо и бор. Данный вид магнитов отличается стойкостью к размагничиванию и мощностью притяжения.

Для изготовления ветрового генератора данного вида необходимо приобрести комплект неодимовых магнитов и использовать автомобильную ступицу или иное устройство (шкив и т.д.), которые послужат основой конструкции.

При изготовлении 1-фазного генератора, количество полюсов должно соответствовать количеству магнитов, при изготовлении 3-фазного генератора, соотношение полюсов и катушек, должно быть – 2/3 или 4/3, соответственно.

Магниты наклеиваются на поверхность ступицы (шкива), при этом их полюса должны чередоваться. Для того, чтобы не ошибиться при изготовлении данного элемента, лучше всего выполнить разметку поверхности, на которой крепятся магниты, а также промаркировать их полярность. Вариант монтажа магнитов, с использованием шкива, приведен на фото:

Из медного провода наматываются катушки, количество которых соответствует количеству установленных магнитов. При наматывании, используется провод ПЭТВ или аналог, применяемый при изготовлении обмоток электрических машин. Количество витков можно рассчитать, но при отсутствии опыта выполнения подобных расчетов, вариант подбора, требуемого количества, также может быть применен.

Для небольшого генератора на неодимовых магнитах, общее количество витков в обмотке статора, должно составлять 1000 – 1200 штук, в свою очередь для определения количества витков в одной катушке, данное количество необходимо разделить на количество изготавливаемых катушек.

Внутренний диаметр (отверстие) катушки должен соответствовать диаметру магнита, или быть несколько большим, чем он.

Изготавливается статор генератора. Для этого можно воспользоваться прочным пластиком или фанерой, на поверхности которых выполняется разметка и крепление изготовленных катушек.

Вариант выполнения данной операции приведен на ниже следующем фото:

Катушки крепятся с использованием клея, после чего вся поверхность заливается эпоксидной смолой. Толщина получаемого статора должна соотноситься с толщиной неодимовых магнитов. Концы катушек, перед заливкой, выводятся наружу, где в последствии соединяются по схеме «звезда» или «треугольник».

Выполняется сборка изготовленных узлов, в единое изделие. В случае использования автомобильной ступицы, конструкция выглядит следующим образом:

К ротору генератора (ступице) крепятся лопасти или приводной вал, в случае горизонтальной установки статора. Собранные узлы крепятся на подготовленной основании, а к выводам катушек подключается нагрузка.

Самодельный ветрогенератор для дома и дачи

Для резервного электроснабжения загородного дома или дачи, наиболее подойдет вертикальный ветровой генератор, что обусловлено простотой конструкции, возможностью работать при малых ветровых нагрузках и отсутствие необходимости в монтаже высоких мачт, служащих площадкой для установки ветрового генератора.

Из рассмотренных выше вариантов изготовления подобных устройств своими силами, наиболее эффективен вариант с использованием неодимовых магнитов. В этом случае изготавливается опорная конструкция, в нижней части которой устанавливается изготовленный генератор и приемное устройство, в виде полусфер, как показано на ниже приведенном рисунке:

Ведущий вал изготавливается из стальной шпильки, которая помещается в подшипники, устанавливаемые на несущей конструкции, которая в свою очередь изготавливается из профильного (уголок, труба и т.д.) и листового металла.

В нижней части шпилька крепится к оси генератора, а в ее верхней части, монтируется конструкция, на которую устанавливаются лопасти.

Каракас лопасти (полусфера) может быть изготовлен из дерева, фанеры или толстого пластика. Для поверхности лопастей, используется тонкая фанера, тонкий пластик или легкий металл (оцинкованное железо и т.д.), которые закрепляются на каркасе лопасти, после чего выполняется их монтаж на конструкцию в верхней части шпилек.

После завершения сборки, собранное изделие устанавливается на подготовленном заранее месте и включается в работу.

Ветрогенератор для отопления

При принятии решения об устройстве системы отопления загородного дома или дачи, необходимо помнить, что, как и в случае с электроснабжением подобных объектов, ветровой генератор не является надежным источником энергии, и может лишь служить аварийным, либо в качестве второго источника, дополняя прочие альтернативные способы получения требуемой энергии: солнечные панели, геотермальные установки и т.д.

Вне зависимости от того, в качестве какого источника (основного, дополнительного или резервного) работает ветровой генератор, для работы системы отопления необходима электрическая энергия, идущая на нагрев ТЭНов отопительного котла и работы циркуляционных насосов.

В связи с этим, на выбор конструкции собираемой установки, влияет ее мощность, т.е. способность производить определенное количество электричества в единицу времени. Из рассмотренных выше вариантов, для устройства системы отопления можно применить конструкцию с использованием неодимовых магнитов и асинхронного двигателя.

Плюсы и минусы самоделок

У любого технического устройства есть свои достоинства и недостатки, и ветровые установки не являются исключением. Так различным типам ветровых генераторов присущи свои плюсы и минусы, которые определяют их технические характеристики, стоимость и условия монтажа.

Тем не менее, вне зависимости от конструкции таких устройств, если они изготавливались самостоятельно, то им присущи общие достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

Достоинства самоделок:

1. Низкая стоимость.
2. Возможность изготовления из подручных средств.

Недостатки самоделок:

1. Не возможность создать устройства надежные по обеспечению потребителей электрической энергией достаточной мощности.
2. Сложность изготовления, требующая знаний в этой области техники и умение работать различным инструментом.

Эти работы между собой не имеют практически ничего общего, так как надо сделать разные по сути и назначению узлы системы. Для изготовления того и другого элемента используются подручные механизмы и приспособления, которые можно использовать или переделать в необходимый узел. Один из вариантов создания генератора, часто используемый при изготовлении ветрогенератора - изготовление из асинхронного электродвигателя, которое наиболее удачно и качественно позволяет решить проблему. Рассмотрим вопрос подробнее:

Изготовление генератора из асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель является наилучшей «заготовкой» для изготовления генератора. Он имеет для этого наилучшие показатели по устойчивости к короткому замыканию, менее требователен к попаданию пыли или грязи. Кроме того, асинхронные генераторы вырабатывают более «чистую» энергию, клирфактор (наличие высших гармоник) у этих устройств всего 2% против 15% у синхронных генераторов. Высшие гармоники способствуют нагреву двигателя и сбивают режим вращения, поэтому их малое количество является большим плюсом конструкции.

Асинхронные устройства не имеют вращающихся обмоток, что в значительной степени снимает возможность выхода их из строя или повреждения от трения или замыкания.

Также важным фактором является наличие на выходных обмотках напряжения в 220В или 380 В, что позволяет подключать приборы потребления прямо к генератору, минуя систему стабилизации тока. То есть, пока есть ветер, приборы будут работать точно так же, как от сети.

Единственное отличие от работы полного комплекса в прекращении работы сразу же после стихания ветра, тогда как аккумуляторы, входящие в комплект, какое-то время питают потребляющие устройства используя свою емкость.

Как переделать ротор

Единственным изменением, которое вносится в конструкцию асинхронного двигателя при переделывании его в генератор, является установка на ротор постоянных магнитов. Для получения большей силы тока иногда перематывают обмотки более толстым проводом, имеющим меньшее сопротивление и дающим лучшие результаты, но эта процедура не критична, можно обойтись и без нее - генератор будет работать.

Ротор асинхронного двигателя не имеет никаких обмоток или иных элементов, являясь, по сути, обычным маховиком. Обработка ротора производится в токарном станке по металлу, обойтись без этого никак нельзя. Поэтому при создании проекта надо сразу решить вопрос с техническим обеспечением работ, найти знакомого токаря или организацию, занимающуюся такими работами. Ротор надо уменьшить в диаметре на толщину магнитов, которые будут на него установлены.

Существует два способа монтажа магнитов:

• изготовление и установка стальной гильзы, которая одевается на предварительно уменьшенный в диаметре ротор, после чего на гильзу крепятся магниты. Этот способ дает возможность увеличить силу магнитов, плотность поля, способствующую более активному образованию ЭДС
• уменьшение диаметра только на толщину магнитов плюс необходимый рабочий зазор. Этот способ проще, но потребует установки более сильных магнитов, лучше всего - неодимовых, которые имеют намного большее усилие и создают мощное поле.

Установка магнитов производится по линиям конструкции ротора, т.е. не воль оси, а несколько смещенными по направлению вращения (на роторе эти линии хорошо видны). Магниты расставляются по чередованию полюсов и фиксируются на роторе с помощью клея (рекомендуется эпоксидная смола). После ее высыхания можно производить сборку генератора, в который отныне превратился наш двигатель, и переходить к испытательным процедурам.

Испытания вновь созданного генератора

Эта процедура позволяет выяснить степень работоспособность генератора, опытным путем определить скорость вращения ротора, необходимую для получения нужного напряжения. Обычно прибегают к помощи другого двигателя, например, электродрели с регулируемой частотой вращения патрона. Вращая ротор генератора с подключенным к нему вольтметром или лампочкой, проверяют, какие скорости необходимы для минимума и каков максимальный предел мощности генератора, чтобы получить данные, на основе которых будет создаваться ветряк.

Можно в испытательных целях подключить какой-либо прибор потребления (например, нагреватель или осветительное устройство) и убедиться в его работоспособности. Это поможет снять все возникающие вопросы и внести какие-либо изменения, если возникнет такая необходимость. Например, иногда возникают ситуации с «залипанием» ротора, не стартующего при слабых ветрах. Это происходит при неравномерном распределении магнитов и устраняется разборкой генератора, отсоединением магнитов и повторным их укреплением в более равномерной конфигурации.

По завершении всех работ в распоряжении появляется полностью рабочий генератор, который отныне нуждается в источнике вращения.

Изготовление ветряка

Для создания ветряка потребуется выбрать какой-либо из вариантов конструкции, которых имеется немало. Так, существуют горизонтальные или вертикальные конструкции ротора (в данном случае термин «ротор» обозначает вращающуюся часть ветрогенератора - вал с лопастями, приводимый в движение силой ветра). имеют более высокую эффективность и устойчивость в производстве энергии, но нуждаются в системе наведения на поток, которая, в свою очередь, нуждается в легкости вращения на валу.

Чем мощнее генератор, тем труднее его вращать и тем большее усилие должен развивать ветряк, что требует его больших размеров. При этом, чем крупнее ветряк, тем он тяжелее и обладает большей инерцией покоя, что образует замкнутый круг. Обычно используют средние значения и величины, дающие возможность образовать компромисс между размерами и легкостью вращения.

Проще в изготовлении и не требовательны к направлению ветра. При этом, они имеют меньшую эффективность, так как ветер с одинаковой силой воздействует на обе стороны лопасти, затрудняя вращение. Для того, чтобы избежать этого недостатка, создано множество различных конструкций ротора, таких как:

• ротор Савониуса
• ротор Дарье
• ротор Ленца

Известны ортогональные конструкции (разнесенные относительно оси вращения) или геликоидные (лопасти, имеющие сложную форму, напоминающую витки спирали). Все эти конструкции имеют свои достоинства и недостатки, основным из которых является отсутствие математической модели вращения того или иного вида лопастей, делающего расчет крайне сложным и приблизительным. Поэтому действуют методом проб и ошибок - создается экспериментальная модель, выясняются ее недостатки, с учетом которых изготавливается рабочий ротор.

Наиболее простая и распространенная конструкция - ротор , но в последнее время в сети появляется множество описаний других ветрогенераторов, созданных на базе других видов.

Устройство ротора несложно - вал на подшипниках, на верхней части которого укреплены лопасти, которые под действием ветра вращаются и передают крутящий момент на генератор. Изготовление ротора осуществляется из доступных материалов, монтаж не требует чрезмерной высоты (обычно поднимают на 3-7 м), это зависит от силы ветров в регионе. Вертикальные конструкции почти не требуют ухода или обслуживания, что облегчает эксплуатацию ветрогенератора.

Из асинхнонного двигателя можно своими руками собрать ветрогенератор мощностью до 1 кВт. При такой небольшой мощности возможно запитать дома или на даче некоторые бытовые приборы, уличное освещение в саду.

Изготовление самодельного ветряка может решить проблему получения основного или дополнительного бесплатного источника энергии для индивидуального использования. Ветрогенератор из асинхронного двигателя своими руками вполне можно сделать в домашних условиях. При выработке электроэнергии генератор мощностью до 1 кВт он вполне способен обеспечить электропитанием некоторые бытовые приборы, отопление или освещение.

Из чего состоит

1. Ротор с лопастями и ветротурбиной, оснащенный специальным хвостом для ориентации против ветра или ветроколесо;
2. Мачта с растяжками или без таковых, на которой закрепляется ротор. Обычно строят мачты высотой от 3 до 7 м;
3. Аккумуляторные батареи (чаще всего используют свинцовые стартерные кислотные аккумуляторы);
4. Электрогенератор переменного тока, для которого используется асинхронный двигатель;
5. Устройство для контроля заряда аккумуляторов (контроллер);
6. Преобразователь, подключенный к бытовой сети (инвертор), мощностью от 600 до 1500Вт;
7. Молниеотводящая система (заземление).

Принцип работы

Домашние ветряки не имеют принципиальных отличий от ветрогенераторных установок, используемых в промышленных масштабах. Главное — получение переменного напряжения с помощью преобразования кинетической энергии в электрическую. Чистая энергия ветра через крутящий момент ветроколеса роторного типа передается на генератор, в качестве которого чаще всего используется асинхронный двигатель.

Генератор вырабатывает ток, поступающий в аккумуляторные батареи с модулем и контроллером заряда, и далее — в инвертор постоянного напряжения, подключенный к сети. На выходе получается переменное напряжение, используемое для бытовых нужд (220В 50Гц). Переменное напряжение от генератора с помощью контроллера преобразуется в постоянное для зарядки аккумуляторов (обычно на 12-24В). Инверторы могут работать в качестве источника бесперебойного питания, то есть переключать при необходимости питание бытовых приборов на аккумуляторы или на генератор.

Пример постройки

Материалы и инструменты

Для устройства самодельного ветрогенератора на базе асинхронного двигателя помимо электроники понадобятся:

1. Труба металлическая диаметром не менее 7 см с соответствующей толщиной стенок для создания мачты;
2. Стальная или поливинилхлоридная труба для лопастей. Также могут быть использованы деревянная доска, профиль из стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой или готовые лопасти;
3. Бетон, дерево или металл для устройства опоры;
4. Дрель с подходящими сверлами, ножовка, рулетка, разводной ключ, газовый ключ;
5. Металлическая рама или станина для закрепления лопастей и генератора с поворотным узлом; металлический лист для изготовления хвоста; инструмент для резки металла;
6. Костыли и хомуты для крепления растяжек.;
7. Стальной трос (оцинкованный) сечением 12 мм для изготовления растяжек.

Характеристики

1. Мощность от 1,32 кВ.
2. Наличие неодимовых магнитов, обеспечивающих оптимальную электромагнитную электродвижущую силу (ЭДС), либо металлической гильзы для магнитов, надеваемой на ротор (магниты используются чаще).
3. Правильное размещение магнитов на роторе, то есть полюсное чередование NS.
4. Ротор перед размещением магнитов должен быть проточен на толщину используемых магнитов.
5. Переделка обмотки статора не всегда требуется в случае использования неодимовых магнитов. Однако обмотка с использованием провода большей толщины улучшает рабочие показатели. Оптимальна перемотка статора на 6 полюсах проводом толщиной до 1,2 мм, до 24 витков на катушках.

Генератор асинхронного или индукционного типа представляет собой особую разновидность устройств, использующую переменный ток и имеющую способность воспроизведения электроэнергии. Главной особенностью является совершение довольно быстрых поворотов, которые делает ротор, по скорости вращения этого элемента он в значительной степени превосходит синхронную разновидность.

Одним из главных преимуществ является возможность использования данного устройства без существенных преобразований схемы или длительного настраивания.

Однофазную разновидность индукционного генератора можно подключить путем подачи на него необходимого напряжения, для этого потребуется подсоединение его к источнику питания. Однако, ряд моделей производит самовозбуждение, эта способность позволяет им функционировать в режиме, независимом от каких-либо внешних источников.

Осуществляется это благодаря последовательному приведению конденсаторов в рабочее состояние.

Схема генератора из асинхронного двигателя

В фактически любой машине электрического типа, сконструированной по типу генератора, имеются 2 разные активные обмотки, без которых невозможно функционирование устройства:

1. Обмотка возбуждения , которая находится на специальном якоре.
2. Статорная обмотка , которая отвечает за образование электрического тока, данный процесс происходит внутри нее.

Для того, чтобы наглядно представить и точнее понять все процессы, происходящие во время функционирования генератора, наиболее оптимальным вариантом будет подробнее рассмотреть схему его работы:

1. Напряжение , которое подается от аккумулятора или любого иного источника, создает магнитное поле в якорной обмотке.
2. Вращение элементов устройства вместе с магнитным полем можно реализовать разными способами, в том числе и вручную.
3. Магнитное поле , вращающееся с определенной скоростью, порождает электромагнитную индукцию, благодаря чему в обмотке появляется электрический ток.
4. Подавляющее большинство используемых на сегодняшний день схем не имеет возможностей для обеспечения якорной обмотки напряжением, это связано с наличием в конструкции короткозамкнутого ротора. Поэтому, вне зависимости от скорости и времени вращения вала, питающие устройства все равно будут обесточены.

При переделывании двигателя в генератор, самостоятельное создание движущегося магнитного поля является одним из основных и обязательных условий.

Устройство генератора

Перед тем, как предпринимать какие-либо действия по переделыванию в генератор, необходимо понять устройство данной машины, которое выглядит следующим образом:

1. Статор , который оснащен сетевой обмоткой с 3 фазами, размещенной по его рабочей поверхности.
2. Обмотка организована таким образом, что напоминает по своей форме звезду: 3 начальных элемента соединяются между собой, а 3 противоположных стороны соединены с контактными кольцами, которые не имеют никаких точек соприкосновений между собой.
3. Контактные кольца имеют надежный крепеж к валу ротора.
4. В конструкции имеются специальные щетки, которые не совершают никаких самостоятельных движений, но способствуют включению реостата с тремя фазами. Это позволяет осуществлять изменение параметров сопротивления обмотки, находящейся на роторе.
5. Нередко , во внутреннем устройстве присутствует такой элемент, как автоматический короткозамыкатель, необходимый для того, чтобы закоротить обмотку и остановить реостат, находящийся в рабочем состоянии.
6. Еще одним дополнительным элементом устройства генератора может являться специальное приспособление, которое разводит щетки и контактные кольца в тот момент, когда они проходят стадию замыкания. Подобная мера способствует значительному уменьшению потерь, отводимых на трение.

Изготовление генератора из двигателя

Фактически, любой асинхронный электродвигатель можно собственными руками переделать в устройство, функционирующее по типу генератора, который затем допускается использовать в быту. Для этой цели может подойти даже двигатель, взятый из стиральной машинки старого образца или любого иного бытового оборудования.

Чтобы данный процесс был благополучно реализован, рекомендуется придерживаться следующего алгоритма действий:

1. Снять слой сердечника двигателя , благодаря чему будет образовано углубление в его структуре. Осуществить это можно на токарном станке, рекомендуется снять 2 мм. по всему сердечнику и проделать дополнительные отверстия с глубиной около 5 мм.
2. Снять размеры с полученного ротора, после чего из жестяного материала изготовить шаблон в виде полосы, который будет соответствовать габаритам устройства.
3. Установить в образовавшемся свободном пространстве неодимовые магниты, которые необходимо заранее приобрести. На каждый полюс потребуется не менее 8 магнитных элементов.
4. Фиксацию магнитов можно осуществить при помощи универсального суперклея, но необходимо учитывать, что при приближении к поверхности ротора они будут менять свое положение, поэтому их необходимо крепко удерживать руками пока каждый элемент не приклеится. Дополнительно рекомендуется использовать во время этого процесса защитные очки, чтобы избежать попадания брызг клея в глаза.
5. Обернуть ротор обычной бумагой и скотчем, который потребуется для ее фиксации.
6. Торцовую часть ротора залепить пластилином, что обеспечит герметизацию устройства.
7. После совершенных действий необходимо произвести обработку свободных полостей, между магнитными элементами. Для этого оставшееся между магнитами свободное пространство необходимо залить эпоксидной смолой. Удобнее всего будет прорезать специальное отверстие в оболочке, преобразовать его в горлышко и залепить границы при помощи пластилина. Внутрь можно заливать смолу.
8. Дождаться полного застывания залитой смолы, после чего защитную бумажную оболочку можно устранить.
9. Ротор необходимо зафиксировать при помощи станка или тисков, чтобы можно было провести его обработку, которая заключается в шлифовании поверхности. Для этих целей можно использовать наждачную бумагу со средним параметром зернистости.
10. Определить состояние и предназначение проводов, выходящих из двигателя. Двое должны вести к рабочей обмотке, остальные можно обрезать, чтобы не запутаться в дальнейшем.
11. Иногда процесс вращения осуществляется довольно плохо , чаще всего причиной являются старые износившиеся и тугие подшипники, в таком случае их можно заменить новыми.
12. Выпрямитель для генератора можно собрать из специальных кремниевых , которые предназначены именно для этих целей. Такж,е потребуется контроллер для зарядки, подходят фактически все современные модели.

После совершения всех названных действий, процесс можно считать завершенным, асинхронный двигатель был преобразован в генератор такого же типа.

Оценка уровня эффективности – выгодно ли это?

Генерация электрического тока электродвигателем вполне реальна и реализуема на практике, основной вопрос заключается в том, насколько это выгодно?

Сравнение осуществляется в первую очередь с синхронной разновидностью аналогичного устройства , в котором отсутствует электрическая цепь возбуждения, но несмотря на этот факт, его устройство и конструкция не являются более простыми.

Обуславливается это наличием конденсаторной батареи, являющейся крайне сложным в техническом плане элементом, который отсутствует у асинхронного генератора.

Основное преимущество асинхронного устройства заключается в том, что имеющиеся в наличии конденсаторы не требуют какого-либо обслуживания , поскольку вся энергия передается от магнитного поля ротора и тока, который вырабатывается в ходе функционирования генератора.

Создаваемый во время работы электрический ток фактически не имеет высших гармоник, что является еще одним значимым преимуществом.

Иных плюсов, кроме названных, асинхронные устройства не имеют, но зато обладают рядом существенных недостатков:

1. В ходе их функционирования отсутствует возможность по обеспечению номинальных промышленных параметров электрического тока, который вырабатывается генератором.
2. Высокая степень чувствительности даже к малейшим перепадам параметров рабочих нагрузок.
3. При превышении параметров допустимых нагрузок на генератор , будет зафиксирована нехватка электричества, после чего подзарядка станет невозможной и процесс генерации будет остановлен. Для устранения этого недостатка, часто используют батареи со значительной емкостью, которые имеют особенность изменять свой объем в зависимости от величины оказываемых нагрузок.

Электрический ток, который вырабатывается асинхронным генератором, подвержен частым изменениям, природа которых неизвестна, она носит случайный характер и никак не объясняется научными доводами.

Невозможность учета и соответствующей компенсации таких изменений объясняет то факт, что подобные устройства не обрели популярность и не получили особого распространения в наиболее серьезных отраслях промышленности или бытовых делах.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора

В соответствии с принципами, по которым функционируют все подобные машины, работа асинхронного двигателя после преобразования в генератор происходит следующим образом:

1. После подключения конденсаторов к зажимам , на обмотке статоров происходит ряд процессов. В частности, в обмотке начинается движение опережающего тока, который создает эффект намагничивания.
2. Только при соответствии конденсаторов параметрам необходимой емкости, происходит самовозбуждение устройства. Это способствует возникновению симметричной системы напряжения с 3 фазами на статорной обмотке.
3. Значение итогового напряжения будет зависеть от технических возможностей используемой машины, а также от возможностей используемых конденсаторов.

Благодаря описанным действиям происходит процесс преобразования асинхронного двигателя короткозамкнутого типа в генератор с подобными характеристиками.

Применение

В быту и на производстве такие генераторы широко применяются в различных сферах и областях, но наиболее востребованы они для выполнения следующих функций:

1. Использование в качестве двигателей для , это одна из наиболее популярных функций. Многие люди самостоятельно изготавливают асинхронные генераторы для задействования их в этих целях.
2. Работа в качестве ГЭС с небольшой выработкой.
3. Обеспечение питанием и электроэнергией городской квартиры, частного загородного дома или отдельного бытового оборудования.
4. Выполнение основных функций сварочного генератора.
5. Бесперебойное оснащение переменным током отдельных потребителей.

Необходимо обладать определенными навыками и знаниями не только по изготовлению, но и по эксплуатации подобных машин, помочь в этом могут следующие советы:

1. Любая разновидность асинхронных генераторов вне зависимости от сферы, в которой они применяются, является опасным устройством, по этой причине рекомендуется провести его изоляцию.
2. В процессе изготовления устройства необходимо продумать монтаж измерительных приборов, поскольку потребуется получение данных о его функционировании и рабочих параметрах.
3. Наличие специальных кнопок , с помощью которых можно управлять устройством, в значительной степени облегчает процесс эксплуатации.
4. Заземление является обязательным требованием, которое необходимо реализовать до момента эксплуатации генератора.
5. Во время работы , КПД асинхронного устройства может периодически снижаться на 30-50%, побороть возникновение этой проблемы не представляется возможным, поскольку этот процесс является неотъемлемой частью преобразования энергии.